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Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 1
SYSTEMES ET RESEAUX WDM
Yves JAOUENEcole Nationale Supérieure des Télécommunications
Groupe Télécommunications OptiquesDépartement Communications et Electronique, CNRS UMR 5141
46 rue Barrault, 75634 ParisTel : 01 45 81 77 32
Email : [email protected]
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Présentation
• Généralités • Support de propagation
- Atténuation, dispersion chromatique, effets non-linéaires- Familles de fibres optiques
• Formats de modulations et mise en œuvre• Amplification optique
- Principes généraux : accumulation ASE, pré-amplification optique - Amplificateur à fibre dopée Erbium
• Multiplexage en longueur d’onde- Plan de fréquence - Technologies de multiplexeurs/démultiplexeurs
• Influence des effets non-linéaires- Effets inter-canaux (SPM, XPM, FWM)- Effets intra-canaux (I-XPM, I-FWM, SI-SRS)
• Nouvelles technologies• Familles de systèmes
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1ère partie :
Généralités
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Demande de trafic
• Trafic téléphonique commuté (64 Kb/s par voie téléphonique)
• Liaisons spécialisées (< 2 Mb/s)
• Trafic ATM (Vidéo, …)
• Trafic IP (Des routeurs IP ont désormais des interfaces optiques de sortie de 2.5 Gb/s à acheminer à travers le réseau de transmission)
Multiplexeurtemporel
Equipements de transmission
Ligne de transmission
Démultiplexeurtemporel
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Evolution des systèmes optiques
1ère génération : fibre multimode (0.85µm)2ème génération : fibre monomode (1.3 µm)3ème génération : laser DFB 1.55 µm4ème génération : amplification optique (mono-λ)5ème génération : systèmes WDM
Ruptures technologiques
74 78 82 86 90 94 98 102 106
x 10 tous les 4 ans
RamanC+L
FEC (>99)DM
WDM
EDFA
1.55µm DSF
1.3µm SMF
0.85µm MMF
GIGA
TERA
PETA
103
109
100
106
Cap
acité
(Gb/
s *
Km
)
Années
L’accroissement des capacités est « tirée » par l’innovation technologique
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Réseaux optiques trans-océaniques
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Liaison optique longue distance (1)
Inputdata
Laser Modulateur 50 – 100 km
Amplificateur
N sections = 1000 à 10000 km
LPF
Multiplexeur Démultiplexeur
Outputdata
Transmission optique- support fibre- amplification optique
Génération de signaux optiques- transducteur E/O :lasers à semi-conducteurs- transducteur O/E : photodiode
Accroissement des capacités- augmentation du débit → limitation par dispersion, circuits électroniques- multiplexage en longueur d’onde (systèmes WDM)
Le traitement tout-optique des signaux pas encore mature
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Liaison optique longue distance (2)
Inputdata
Laser Modulateur 50 – 100 km
Amplificateur
N sections = 1000 à 10000 km
LPF
Multiplexeur Démultiplexeur
Outputdata
• Source optique → Modulation directe ou externe ?
• Fibre optique → Dispersion chromatique, effets non-linéaires • Amplificateur de ligne → Accumulation de l ’ASE• Diaphotie intercanaux → Dégradation de la sensibilité du récepteur
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2ème partie :
Support de propagation
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Atténuation dans les fibres optiques
Origine- Diffusion Rayleigh
(la silice est un milieu amorphe)
- Absorption(résonance du matériau à différents λ)
• Silice : Absorption IR• Ions OH- : 1.24 µm & 1.39 µm• Ions métalliques
44 2170 µm/dB..CavecC −=
λ=α→
Le minimum des fibres en silice est ~.18dB/kmCommercialisation de fibres sans pic OH- à 1.38µm
→ Bande passante 1250-1650 nm (soit ~50 THz)
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Propagation dans les fibres optiques
Equation de propagationb =
βko
− n2
n1 − n2( ) oE n k Eω∇ + =2 2 2 0x
y
z Coeur
Gaine optique
nc
ng
nc > ng
2 2 22 2
02 2 2 2
E 1 E 1 E E n k E 0r r r r z
∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂ ∂φ ∂
+ + + + =
V =2πaλ
n12 − n2
2 =2πa
λONavec rE(r, , z, t) E (r) exp( jm )exp j( t z)φ φ ω β= − −
Modes de type HE, EH, TE, TM
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Propagation monomode
Propagation monomode : mode fondamental HE11Dimensions du guide imposées pour maintenir propagation monomode
Φcoeur = 9 µm, ∆n = 5 10-3Domaine spectral 1.2 – 1.7 µm
Répartition déphasage deEnveloppemodale propagationcomplexe
E(r,z,t) F(r) A(z,t) exp i z t⎛ ⎞⎜ ⎟
= β − ω⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
0
F(r) Répartition modale Approximation gaussienne :
Facteur de confinement en puissance : soit G ~75% pour V = 2
A(z,t) modulation du champ optique
β constante de propagation
( )−ω
∼2
2rF(r) exp − −ω + +∼ 2 3 6avec 0.65 1.619V 2.879Va
( )Γ − −ω
∼2
22a1 exp
ββ ω( ) = βo + β1 ω − ω o( )+ 2
2ω − ω o( )2 + .... avec βn =
dωdnβ
ω=ωo
β1 = 1 v get β2 =
1c
d 1vg
⎛ ⎝ ⎜
⎞ ⎠ ⎟
dωsoit D =
1c
d 1vg
⎛ ⎝ ⎜
⎞ ⎠ ⎟
dλ
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Dispersion chromatique
gL
vτ =
gvd L * * dτ λλ
⎛ ⎞∂ ⎜ ⎟⎝ ⎠= ∂
1
D en ps/nm/km
=+
=+
Dispersion matériau DM
Silice :
Dispersion Guide DW
0Sidndλ
≠
( )2 1 2effn n b n n= + −
0effnλ
∂≠
∂
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Dispersion dans les fibres monomodes
Familles de fibresLa dispersion chromatique totale :
D = DM + DW
DW et DM sont de signe opposé
Profil d’indice à gradient → contrôle du paramètre Dw
Dispersion matériauDM = 20 ps/nm/km
Dispersion guide- SMF Dw = -3 ps/km/km- DSF Dw = -20 ps/nm/km- DCF DW = -100 ps/nm/km
GVD GVD slope α Aeff
ps/nm/km ps/nm2/km dB/km µm2
SMF 17 0.057 .2 80
Teraligth Alcatel 8 .058 .2 65Leaf-Corning 4.25 0.085 .2 72TrueWave-RS Lucent 4.25 0.045 .2 55
DCF -80 -0.5 .5 20
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Un peu de formalisme …
Evolution de l’enveloppe du champ (après changement de variable T = t – β1z)
2 32
2 32 3
12 6 2
A(z,T) i A A A i A Az T T
∂ ∂ ∂ α= − β + β − + γ
∂ ∂ ∂
Dispersion AtténuationEffets
non-linéaires
Résolution numérique : méthode Fourier itérative2
22
⇔TFARappel ( i ) Ã
t∂ ω∂
∂ ∂ α= − β + β −
∂ ∂
− = γ
2 3
2 32 3
2
12 6 2i A AˆOperateur dispersion D
T TˆOpérateur non linéarité N i A A
∆z
Dispersion seule(domaine spectral)
Effet non-linéaire seul(domaine temporel)
A(z,T)… …A(0,T)
Tronçon ∆z
- Etape 1 :
- Etape 2∆ ω ∆
∆ ∆ γ ∆
+ → +
+ = +
int int
int
à ( z z, ) A (z z,T )
A(z z,T ) A (z z,T )exp( i A(z,T ) z )2
ω
∆ ω ω β ω ∆ β ω ∆
→
+ = −int
A( z,t ) Ã(z, )
à (z z, ) Ã(z, )exp( z z )2 32 3
1 12 6
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Longueurs caractéristiques
Equation de propagation réelle
∂ ∂ ∂ α= − β + β − + γ
∂ ∂ ∂A(z,T) i A A A i A A
z T T
2 32
2 32 3
12 6 2
Equation de propagation normalisée
( )τ τ= = =1, ( , ) &
D co
z TU Z A z T avec Z L TPEn posant
∂ τ β ∂ ∂ Γ= − + − +
∂ ∂τ ∂'D D NL
U(Z, ) i sign( ) U A U i U Uz L L T L
2 322
2 3
1 1 12 6 2
=β
cD
TL2
2
Longueur de dispersion > →DL L Effets dispersifs significatifs
=γ
NLo
LP1
Longueur non-linéaire > → −eff NLL L Effets non linéaires significatifs
−α−α −
= =α∫
L Lz
effeL e dz
L 0
1 1Longueur effective
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Influence de la dispersion chromatique (1)
Signaux NRZImpulsion Gaussienne⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟= − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
21(0, ) exp2 o
TA TT
Tb22fbT σ+
σ < <bt
TCritère (Pénalité 1dB)4
νλ λ ν σλσ σ σ σ= =2
(2 ~ )bt RD L avec c
222
cB LD λ
≤
∼2 26000 / .soit B L Gb s kmpour D = 17 ps/nm/km⎛ ⎞
= + ⎜ ⎟⎝ ⎠
2
1arg 1oD
zEl issement T TL
Fibres SMF : portées maximales- 2.5 Gb/s → 800 km- 10 Gb/s → 60 km
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Influence de la dispersion chromatique (2)
Phénomène de glissement de la fréquence porteuse
Impulsion gaussienne chirpéeα⎛ ⎞⎛ ⎞+⎜ ⎟= − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
210
2 o
i tA( ,t ) expT
n(t) = n'(t) – jn"(t)
Ein Eout(glissement fréquentiel linéaire)
L
Eout = Ein exp -jkonL
En posant α = ∆n'/∆n"
Il en résulte
φω α= = out
out
d Edddt E dt
1
—> Elargissement temporel fonction du signe de αLes sources impulsionnelles à semi-conducteur
sont chirpées β α⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠
2 2
21 1o
D D
Sign( ) z zT TL L
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Dispersion de polarisation (PMD)
Biréfringence : → Origine : anisotropie de géométrie et de contrainte→ Conséquence :
- Onde monochromatique : évolution de l’état de polarisation avec la propagation- Impulsion optique : différence de temps de propagation
∆β β β ∆β ∆β ω ω= − = + −1x y o o
Biréfrigence Biréfringencede phase degroupe
( )
β β≠x y
x
y
z
τ = ∆β1L
→ Fibre PM : ∆β1 déterministe (proportionnel à la distance)
→ Fibre standard : ∆β1 aléatoire~ concaténation de tronçons biréfringents δτ par unité de longueur orientés de manière aléatoire
τ δτ τ τ= → = <∑ b
tronçons
TL en ps / km Pénalité dB : PMD( )2 2 21 10
< <Fibres : . ps / km PMD ps / km01 2
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Effets non linéaires
Effet Kerr optiqueL ’indice de la silice dépend (faiblement) de l ’intensité du champ optique
—> Modulation de la phase optique
Diffusion Brillouin StimuléeExcitation de modes de vibration acoustique : Réseau d‘indice dans la silice
20 22
2
2 7 1050 80∼eff
n . W / mavecA m
−=− µ
2oeff
P(t)n n nS
= +
22 nl
nleff
P(t)n L et (t)S t
π ∂φφ = ∂ω = −
λ ∂Génération de
nouvelles fréquences
Limitation des puissances injectées
(+7 à +15 dBm en fonction de la source)
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Diffusion Brillouin Stimulée
Onde de pompe
ωp
Onde Stokes
Onde Acousticωs = ωp-∆ωB
ωωaa
Pompe StokesAcoustique
Electrostriction
Ep : Pump wave, ωp, kp
kp Es : Stokes wave, ωs, ksks
ka A : Acoustic wave, Ωa,ka
→ La DBS introduit des distorsions pour le signal transmisth
B effeff
Pg LA
≈ 21→ Le seuil DBS peut être estimé par la relation(gB ≈ 5 10-11 m/W)
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3ème partie :
Formats de modulation et mise en oeuvre
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Formats de modulation
Photodiode : détecteur quadratique —> Modulation d ’intensité uniquement
• Format NRZ– Simplicité de mise en oeuvre– Occupation spectrale réduite
• Format RZ
– Meilleure résistance aux effets non-linéaires (Format soliton)– Multiplexage optique temporel possible
1 0 1 1
NRZ
1 0 1 1
RZ
Temps
Temps
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Modulation du champ optique
La portée admissible dépend de la qualité spectrale de source modulée
Modulation externe
Contrôle du chirp- Interféromètre Mach-Zehnder- Modulateur à électro-absorption
Portée ≈ 60 km à 10 Gb/s≈ 800 km à 2.5 Gb/s
Modulation directe
Modulation de fréquence parasite
Portée ≈ 10 km à 10 Gb/s≈ 160 Km à 2.5 Gb/s
ModulateurexterneLaser DFB
Data
Laser DFBCourantd’injection
Data
( )( ) log ( ) ( )4
dt P t P tdt
αν κπ
⎡ ⎤= +⎢ ⎥⎣ ⎦
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Modulation directe d’un laser à semi-conducteur
Equations d’évolutions
porteurs
photons
fréquence
( )
sp
dN I t N GPdt e τ
= − −
1( )ph
dP G t Pdt τ
⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
log( )4
d Ptdt
ανπ
=0 1 2 3 4 5 6
0
5
10
15
20
Pui
ssan
ce (m
W)
Temps (ns)
-20-10
010203040
Fréq
uenc
e (G
Hz)
Rb = 2.5 Gb/s
τsp ~ qques nsτph ~ qques ps
Variation de la puissance optique P(t)(par la variation du gain du milieu)
Variation de la fréquence optique optique ν(t)(par la variation de l’indice de réfraction)
Indice de réfraction complexe
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Modulation directe : Influence de la dispersion
Chirptransitoire
Chirpadiabatique
Puissance Optique
Longueur d ’onde
Bleu
Rouge
∂∂λ
= >1: 0g
SMF
nRappel D
C
Conséquence : → Optimisation du taux d’extinction
(10 < Rex < 15 dB)
- Pas de dégradation de la sensibilité- Excursion en fréquence minimale
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Modulation externe
Modulateur de Mach-Zehnder
Principe :
- Modulateur de phase
- Interféromètre MZ → ∆φ1(t) = - ∆φ2(t) = ± π/2
Possibilité de suppression du chirp
Modulateur à Electro-absorption
Pas de Chirp adiabatiqueChirp transitoire ajustable
[ ]2(t) n V(t) Lφλπ
∆ =
Data
+∆φ1(t)
+∆φ2(t)
( ) ( )1 21 2( ) cos
2jin
outEE t e φ φ φ φ∆ +∆= ∆ − ∆
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Modulation externe : optimisation du chirp
Portée des système à 2.5 Gb/s sur fibre SMF
- modulation directe : 150 Km
- modulation externe : α = 0 800 Kmα ≈ -1 1200 Km
Rappel :
Modulation directe : 3 < α < 5
Modulation externe : MZ
1- MZ équilibréα = 0 → Modulation sans chirp
2- MZ déséqulibréOptimisation de α possible
( )φ φ
φ φ
⎡ ⎤= ∆ + ∆⎣ ⎦∆ − ∆⎛ ⎞∗ ⎜ ⎟
⎝ ⎠
1 2
1 2
( ) ( ) exp ( ) ( )
( ) ( )cos2
out inE t E t i t t
t t
φ
α = 12
ddt
dII dt
φ φ∆ ≠ −∆1 2( ) ( )t t
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Photo-récepteur
Signal :
Sources de bruits :
- Bruit de grenaille
- Bruit thermique
ην
= ℜ ℜ = ( / )s seI P avec en A Wh
= ℜ2 2qn s ei e P B
=2 4th e
ch
kTi BR
Cd Rch
Amplificateur
thIs iqni
Résistancede charge
Photodiode
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Puissance minimum détectable
Densité de probabilité du signal reçu
( ) ( )= +0 1(1) (0)1 0TEB p P p P
( ) ( )σσ −∞
⎡ ⎤−= ⎢− ⎥
π ⎢ ⎥⎣ ⎦∫
212
11
10 exp1 22DI I I
P dI
( )σ
⎛ ⎞−= ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠1
101 2 2
Dc
I ISoit P erf
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Puissance minimum détectable
Sensibilité à la limite quantiqueLe TEB dépend de la valeur de ID
Rappel : Statistique de Poissonσ σσ σ
+=
+1 1
1
' : o oD
o
I Ià l optimum I( ) = −exp( )
!
kNkP NN k
ν=
b
PNh R
En posant
σ σ−
=+
1
1
o
o
I IQEn posant
( ) ( )( )
= −
=
0 exp 211 00
p N
p
( )1 22
expTEB N= −12 2c
QTEB erf ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠
TEB = 10-9 —> = 10 photons/bitNAN : Q ~ 6 —> TEB = 10-9
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Puissance minimale détectable
Pour une photodiode PIN —> iqn << ith
= ℜ =1 2 0oI P et IEn posant
σ σ σ= = =14
o th ech
kT BR
= ℜ4
ech
kTP Q BR
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4ème partie :
Amplification optique
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Pré-amplification optique
Emetteur
AmpliFiltre optique
Signal Emissionspontanée
Bo
Signal
GPin Pout
photodétecteurfibre
Be
= ℜ +2( ) ( ) ( )s bI t E t E t
− −
⎧ ⎫⎪ ⎪
= ℜ + + +⎨ ⎬⎪ ⎪⎩ ⎭
* * *( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )s s s b b b
Signal Battement BattementSignal Ase ASE ASE
I t E t E t E t E t cc E t E t
Conclusion : pré-amplification optique
→ Apparition de nouvelles composantes de bruit
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Sources supplémentaires de bruit
Battement Signal-ASE Battement ASE-ASE
BoSignal Emissionspontanée
ωo
ω δν−oω δν−o 1 ω δν−o 2
Bo
Emissionspontanée
Nsp
GPin Bo
Emissionspontanée
Nsp⊗Signal Emission
spontanée
Bo
⊗ OPTIQUEOPTIQUE
σ − = ℜ2 24S Ase in sp eGP N B σ − = ℜ2 2 24Ase Ase sp o eN B B
ELECTRIQUE= 4ℜ2
Bo/2
* GPin Nsp
ELECTRIQUE
Be
= 4ℜ2 * NspNspBo
Be
ν= −sp spRappel N G h n: ( 1)
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Pré-amplification optique : sensibilité du récepteur
Si le gain de l ’amplificateur optique est suffisant :
σ σ σ− −<<2 2 2th S Ase Ase Aseet
( )( )σ σ σ− − −
ℜ=
+ +1/ 22 2
2'
S Ase Ase Ase Ase Ase
G Pd où Q
Sensibilité du récepteur
⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
2
2o
e
BFN Q QB
0
100
200
300
400
500
1 10Ph
oton
s/bi
t100 1000
F = 6 dB
4 dB
Bo/Rb
5 dB
3 dB
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Systèmes optiques amplifiés (1)
Chaine d’amplificateurs
Amplificateur
( ) ( ), , 1
(2 )
2 1ASE
out i i out i i sp o
P polarisations
P G LP G n h Bν−= + −
Le S/B se dégrade avec le nombre d’amplificateurs
…
Modélisation d’un amplificateur
Puissance de sortie constante (fonction de puissance de pompe)
→ auto-contrôle automatique du gain
ASE
⊕GPin
Pout
ASEN ampli = N ASE1 ampliPuissance signal diminuée (GL < 1)
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Systèmes optiques amplifiés (2)
Accumulation de l’ASE
( ) σσ σ σ −− − −
ℜ ℜ= → =
+ +/
S Ase sp eS Ase Ase Ase Ase Ase
G PG P G PQ ~ QN B1 22 2
2 22
1 amplificateur :
N amplificateurs :
ν= −ASE sp oP G h n B2( 1)ν
−
= − +ASE sp onm
ASE nmopre amplificateur
ASE accumulée
GPP G h n B BOSNR B0.1
0.1
2( 1)*
2 zones de fonctionnement
ν=
⎡ ⎤+⎢ ⎥
⎣ ⎦0.1 0.1
2*sp elec
nm nm
PQPn h B
OSNR B
ν<< → =0.1 0.1
1*2nm nm
sp elec
PP OSNR B Qn h B
Zone linéaire
>> → = 0.1 0.10.1 0.1
** nm nmnm nm plancher
elec
OSNR BP OSNR B QB
Plancher d’erreur
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Systèmes optiques amplifiés (3)
Rapport S/N requis en extrémité
ν
−=
⎡ ⎤++⎢ ⎥
⎣ ⎦0.1 0.1
1 *1 2
*sp elecnm nm
r PQr Pn h B
OSNR Bσ σ− −
ℜ − ℜ+S Ase S Ase
G P G PQ ~(' ') (' ')
1 0
1 0
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -51E-19
1E-16
1E-13
1E-10
1E-7
1E-4
Belec = 6.5 dBTEx = 15 dB
TEB
Input power (dB)
OSNR = 15 dB OSNR = 18 dB OSNR = 20 dB OSNR = 25 dB OSNR = 30 dB
- 4 5 - 4 0 - 3 5 - 3 0 - 2 5 - 2 0 - 1 5 - 1 0 - 51 E - 1 9
1 E - 1 6
1 E - 1 3
1 E - 1 0
1 E - 7
1 E - 4
TE x
= 1 5 d BO S N R = 1 8 d B
TEB
B e l e c = 6 . 5 G H z B e l e c = 7 . 5 G H z B e l e c = 1 0 G H z
- 4 5 - 4 0 - 3 5 - 3 0 - 2 5 - 2 0 - 1 5 - 1 0 - 51 E - 1 9
1 E - 1 6
1 E - 1 3
1 E - 1 0
1 E - 7
1 E - 4
B e l e c = 6 . 5 d BO S N R = 1 8 d B
TEB
I n p u t p o w e r ( d B m )
T E x = 1 0 d B T E x = 1 5 d B T E x = 2 0 d B T E x = 2 5 d B T E x = 3 0 d B
(Influence du taux d’extinction)
10 Gb/s : OSNR0.1nm = 16-19 dB40 Gb/s : OSNR0.1nm = 22-25 dB
Influence TEx & Belec
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Système optiques amplifiés (4)
= − − − +. nm outà dB nbred ' ampliG en dBFonction du débit
OSNR (endB) P (endBm) SpanLoss NF log(N )0 15 6
10 58
10 100-20
-10
0
10
20
P out (
dBm
)
Tronçon de fibre (Km)
1000 Km 10000 Km
10 Gb/s / 1000 Km : pas 100 km10 Gb/s / 10000 Km : pas < 50 km
OSNR = 20 dB
ν=
−out
. nmsp . nm
POSNRN(G )h n B0 1
0 12 1
0 1 2 3 4 5 610
15
20
25
30
OSNR10 Gb/S
Pout = 0dBm, NF = 5dB, loss = 0.2 dB/km
OS
NR
(dB
)
Distance (Mm)
Perte/tronçon 13 dB Perte/tronçon 18 dB Perte/tronçon 23 dB Perte/tronçon 28 dB Perte/tronçon 33 dB
La dégradation de OSNR est une fonction de pertes/tronçon
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 41
Amplificateur à fibre dopée Er3+
Niveaux d’énergie de l’ion Er3+
980nm
N3 49 2/I
τ32 ~ 1µs3 populations : N1+ N2 + N3 = NEr
τ32 << τ21 → N3 << N1, N2N2 413 2/I
τ21 ~ 10 ms Evolution des populationsRpa 1480 nm
= − = − −τ
pa sedN dN NR N R Ndt dt
2 1 21 2
211/τ21 Rse
1530-1560 nmN1 4
15 2/I
Emissionspontanée
Emissionstimulée
Pompage
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 42
Amplificateur à fibre dopée Er3+
Evolution des populations Gain par unité de longueur
( )∂ ∂ Γ= − = σ − σ −
∂ ∂ ν τ∑ ka e
k k
N N P NN Nt t h A2 1 2
1 221
[ ]( )
= σ − σ Γ
⎡ ⎤= σ + σ − σ⎣ ⎦
e a
a e a Er
g N N
soit g N N2 1
2
La courbe de gain est dépendante de l’inversion de population n2 = N2/NEr
1500 1550 16001500 1550 16000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Sec
tions
effi
cace
s (*
10-2
4 )
Longueur d'onde (nm)
Absorption Emission
sa et se : sections efficaces d’absorption/émission
inversion de population
gain > 1
gain < 1
1
gain
(u.a
.)
Longueur d'onde (nm)
0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 %
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 43
Amplificateur à fibre dopée Er3+
MuxMux
Input Output Valeurs typiquesGain :10 – 30 dBNF : 4-6 dBBande : 1529-1562 nmPout : 10 – 23 dBm
Pompe 980/1480 nm Pompe 980/1480 nm
1450 1500 1550 1600 16500
2
4
6
8
dB/m
Longueur d'onde (nm)
Absorption Gain
α = σ Γa ErN= σ Γe Erg N
Estimation du gain : Equations d’évolution
( )∂⎡ ⎤= α + − α −⎣ ⎦∂ τ∑ k
k
n ng n Pt2 2
221
Evolution de la pompe et du signal
( )2= α + − αkk
dP ( g)n Pdz
( )2 2±
±ν= ± α + − α ± ν∆νASE
ASEdP ( ) ( g)n P h g
dz
Pris en compte de l’ASE
Coubes d’absorption/gain fournies par fabricant
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 44
Amplification Erbium en régime WDM
• Pré-égalisation
• Fibre dopée à verre fluoré EDFA
• Filtre-égaliseur passif
1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
1 ampli 5 ampli
∆G = 2.5 dB
1529-1562 nm
Gai
n flu
ctua
tion
(dB)
Longueur d'onde (nm)
Non-uniformité de la courbe de gaindes amplificateur EDFA
Solutions :
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 45
Amplificateurs à verre fluoré dopé Er3+
Gain uniforme naturellementPompage à 1480 nm (ASE à 980 nm)Soudure difficile avec fibre en silice (θ° de fusion différente)
Matrice hôte : verre fluoré
Platitude du gain (pour G ~ 20 dB)
Fibre à silice- 1dB variation over 20nm (154-1560 nm)- 2.5 dB over 30nm
Fibre à verre fluoré- 1.1 dB over 30 nm
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 46
Techniques d’égalisation de gain
Pré-égalisation des signauxSortie de chaîne d’EDFAEntrée
Egalisation du gain de l’amplificateur
MuxInput
Pompe
MuxOutput
Pompe PompePompe
Mux Mux
Techniques : réseaux photo-inscrits, films diélectriques, …Atténuation : 1 à 10 dB en fonction de la longueur d’onde et de l’architecture de l’EDFANFtotal = NF1 + NF2 /(G1 . T) ~ NF1 si G1T >> 1
Sans pré-égalisation
Avec pré-égalisation
Nbre d’EDFA et bande de gain réduits
1530 1540 1550 1560-6
-4
-2
0Transmission
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 47
5ème partie :
Multiplexage en longueur d’onde
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 48
Plan de fréquence
EDFABan
de C
EDFABan
de L
Longueur d’ondede référence
Spectre d’absorptioncyanure d’hydrogène (H13C14N)
Système de stabilisation d’une source laser(laser DFB, laser à cavité externe)
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 49
Technologies de multiplexage (1)
Technologies « bulk »
Films dichroïques(Avanex, …)
Réseaux de diffraction(Yenista, Kylia, …)
Input (λ1,λ2,λ3 )
Réseau dediffraction
λ = θn 4necos
…, λn-1, λn, λn+1, …
Filtre interférentiel(couches λ/4)
λn
( )α + β = λd sin sin mAngle de diffraction b
d
αβ
Indice élevéIndice faible
β=
λ βd md dcos
Dispersion angulaire
λ1, λ2, λ3, λ4, λ5,… λ1
λ3
λ5λ2
λ4
λ6Input (λ1,λ2,λ3 )
Lentille gradient d’indice
Réseau dediffraction
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 50
Technologies de multiplexage (2)
Technologies « intégrées »
Phasars(JDSU, …)
Principe
1 - Spectre WDM dans fibre d’entrée2 - Propagation en espace libre3 - Retard de phase entre guide (∆L)4 - Plan d’onde fonction de λ5 - Recombinaison des ondes6 - Interférence constructive dans 1 guide de sortie
(1 λ par fibre de sortie)
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 51
Technologies de multiplexage (3)
Exemple : Multiplexeur 40 canaux, 100 GHz
Kylia 100GHz spacing < 18 ch. < 45 ch.
Insertion loss < 2.5 dB < 3 dB
PDL < 0.1 dB < 0.2 dB
IL uniformity < 0.3 dB < 0.7 dB
Adjacent X-talk > 33 dB
Cumulative X-talk > 30 dB
Channel width@-1dB > 14 GHz
Channel width@-3dB > 24 GHZ
PMD < 0.2 ps
Chromatic dispersion ±10 ps/nm
Operating °C range -5 to 70 °C
Caractéristiques typiques- Espacements: 25 (?), 50, 100 & 200 GHz - Nbr de canaux variables : 100GHz / 8 à 80 Ch- Gabarit de filtre : flat-top ou gaussien- pertes d’insertion : 2-3 dB- PDL < 0.2 dB- Pas de dépendance à la température
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 52
6ème partie :
Influence des effets non-linéaires
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 53
Effets non-linéaires
Interactions intra-canal Interactions entre canaux
MImodulationinstability
FWMSPM XPM
Diaphotiecohérente
Distortion temporelleGigue temporelleISI non-linéaire
I- FWM I- XPM
SI-SRSGigue temporelle Distortion d’amplitudeGigue d’amplitude
Transfert de puissance entre canaux
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 54
Auto-modulation de phase
( )( )∂= γ → = φ
∂2
nlA(z,t) i A A A(z,t) A(0,t) exp i z,t)
z ( )φ = γ2
nlavec A 0,t L
Il en résulte la génération de nouvelles fréquences optiques ∂φ⎛ ⎞∆ω = −⎜ ⎟∂⎝ ⎠nl
SPM(t)t
Impulsion optique
Temps
Transmission NRZ(10 Gb/s, 100 km de fibre SMF)
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Pin = 12 dBm
Opt
ical
pow
er (u
.a.)
Temps (en ns)
Pin = 2 dBm
Temps
Phase induite par SPM
Temps
Décalage en fréquence
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 55
Combinaison de SPM et dispersion
Dispersion normale (D < 0)
Temps
Emargissement accru par SPM
Dispersion anormale (D > 0)
Temps
Effet de compression engendré par SPM
Système NRZ à 10 Gb/s
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 56
Phénomènes non-linéaires Kerr inter-canal
22
2 22 2A i A A i A Az t
αβ γ∂ ∂= − − +
∂ ∂( )
1 1
( ) expM M
i i ii i
A A A t i tω= =
= =∑ ∑avec
2*
2 21 1 , ,2 2
M M Mi i
i m n pi i m n p
A Ai A i A A Az t
αβ γ= =
⎛ ⎞∂ ∂= − − +⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠
∑ ∑ ∑soit
22 2 *
2 2 22 2
n nn i m n p
i nSPM FWMXPM
A Ai A i A A A i A A Az t
αβ γ γ≠
⎧ ⎫⎪ ⎪∂ ∂
= − − + + +⎨ ⎬∂ ∂ ⎪ ⎪⎩ ⎭
∑
Il en résulte :
→ Les interactions XPM sont reliés à
→ Les composantes FWM sont situées à wm-wn+wp
2XPM ii nP zφ γ
≠
∆ = ∆∑
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 57
Intermodulation de phase (XPM)
1 2
1 1 ~ cw
g g
TLv v D λ
= −∆
Longueur caractéristique : longueur de glissement
temps
Puissance à λp
temps
∆ωXPM à λs
temps
Puissance à λs
XPMD L
Variation de temps de groupe→ gigue temporelle
Fibre dispersive
τ λ∆ = ∆
Distorsiond’amplitude
Application : D = 17 ps/nm/km, Dl = 100 GHz- 10 Gb/s → Lw ~ 8 km ( ~ Leff)- 40 Gb/s → Lw ~ 2 km ( << Leff)
Phénomène significatif à 10 Gb/s
2XPM pi n
P zφ γ≠
∆ = ∆∑
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 58
Intermodulation de phase (XPM)
Pum
p po
wer
(λp)
Temps
Pro
be P
ower
(λs)
Temps
Mise en évidence de l’impact du XPM : configuration pompe-sonde
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Pro
be p
ower
(λs)
Temps
Pum
p po
wer
(λp)
Temps
Dispersivefibre
Expression de la pénalité XPM
12 21
o
XPM oi n
I IQσ σ σ
≠
−=
+ +∑
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 59
Mélange à quatre ondes (FWM)
m n p= - + β β β β∆3
* 2
, ,2
MFWM
FWM m n pm n p
propagation génération FWM
A A i A A A ez
α βα γ− + ∆∂
= − +∂ ∑ ( )( )2 m n p nβ β ω ω ω ω∆ − −∼
avecFWM m n p= - + ω ω ω ω
Il en résulte
( )2( ) (0) (0) (0) LFWM m n pP L D L P P P e αγ η−=
( )( )
2
22 2
4 sin / 21
1
L
L
e L
e
α
α
βαηα β
−
−
⎡ ⎤∆⎢ ⎥= +⎢ ⎥+ ∆ −⎣ ⎦
1 ( 2 ) 2 ( 3 )D systèmeà ondes ou systèmeà ondes=
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 60
Mélange à quatre ondes (FWM) (1)
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5-60
-50
-40
-30
-20
-10
Effic
acité
FW
M re
lativ
e
Longueur d'onde (nm)
0 ps/nm/km 1 ps/nm/km 4 ps/nm/km 17 ps/nm/km
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5-60
-50
-40
-30
-20
-10
Effic
iaci
té F
WM
rela
tive
Longueur d'onde (nm)
0 ps/nm/km 1 ps/nm/km 4 ps/nm/km 17 ps/nm/km
Pin/ch = 3dBm, L = 10 km, 0.2 dB/km
Pin/ch = 3dBm, L = 100 km, 0.2 dB/km
Système à 3 porteuses
1546 1548 1550 1552 1554-50
-40
-30
-20
-10
0
10
Opt
ical
pow
er (d
Bm
)
Longueur d'onde (nm)
Pin/ch = 3dBm, D = 0.2 ps/nm/km L = 25 km, 0.2 dB/km)
λ1 λ2 λ3
λ132λ221
λ231
λ223λ112λ123
La puissance de chaque composante FWM peut être déterminée analytiquement
mnp m n pλ λ λ λ= + −
λ113λ332
λ331
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 61
Mélange à quatre ondes (FWM) (2)
Le nombre des composantes de FWM est proportionnel au
nombre N de canaux
( )= −3 21M N N2
1546 1548 1550 1552 1554-40
-30
-20
-10
0
10
Pui
ssan
ce o
ptiq
ue (d
Bm
)
Longueur d'onde (nm)
1546 1548 1550 1552 1554-40
-30
-20
-10
0
10
Puis
sanc
e op
tique
(u.a
.)
Longueur d'onde (nm)
1546 1548 1550 1552 1554-40
-30
-20
-10
0
10
Pui
ssan
ce o
ptiq
ue (d
Bm
)
Longueur d'onde (nm)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Am
plitu
de (u
.a.)
Temps bit
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Am
plitu
de (u
.a)
Temps bit
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Am
plitu
de (u
.a.)
Temps bit
Pin/ch = 0dBm, 10 Gb/s, L = 5*100 km, 0.2 dB/kmD = 17 ps/nm/km
D = 4 ps/nm/km
D = 1 ps/nm/km
~18 dB
Ch 4
Ch 4
Ch 4
(8 canaux → 224 composantes FWM)
Outil de simulation numérique
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 62
Interaction SRS intercanaux (SI-SRS)
0 10 20 300,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Gai
n ra
man
(*10
-13 m
/W)
Fréquence (THz)
L’interaction entre le champ optique et le matériau engendre un gain pour des signaux distants de qques THz
Amplication Raman Niveau de puissance maximal ??
Entrée (5.6 dB/ch) 100 km
Bigo et al. , Photon. Technol. Lett. 99
Transfert de puissance entre canaux- Fonction de la puissance/canal- Nbre de canaux- Bande spectrale WDM
Transfertde puissance
Reff
Pgain exp g LS
⎛ ⎞= ⎜ ⎟
⎝ ⎠
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 63
2 types de diaphotie
Diaphotie incohérente (XPM, démultipleur, …)Les sources de bruit s’ajoute en puissance au niveau du détecteur (→ fo – fX-talk >> Be)
−− == + = +
d
o
X talko X talk d
o
P(t)P
P
P (t)P(t) P P (t) P ( ) 1P
−= → < −X talkd
o
P (t)P 1dB 10dBP
Diaphotie cohérente (FWM, sortie de brasseur optique, …)Les sources de bruit s’ajoute en amplitude au niveau du détecteur (→ fo – fX-talk < Be)
= + = + θ∑ ∑o FWM o o FWM FWME(t) E E (t) P(t) P P P cos (t)
= + ∑ FWMd
o
1 P (t)P 12 P
(θFWM uniformément distribué 0-2π)
= → < −∑ FWMd
o
P (t)P 1dB 20dB
P
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 64
Gestion de dispersion
Règles d’ingénieurie- Limitation des puissances injectées (~ 0 dBm/ch)- Espacement entre canaux suffisant
→ dégradation de l’efficacité spectrale→ fonction du paramètre de dispersion de la fibre
fibre DSF < 1 ps/nm/km : qques nmfibre NZ-DSF : espacement 50 GHz (0.4 nm) possiblefibre SMF : espacement 25 GHz envisageable
50 – 100 km
D L + Dcomp*Lcomp = 0Fibre de ligne Fibre de compensation
Système à gestion de dispersion
Contrainte technologique
λ λ=comp
comp
dD dDd d
D Dsur bande optique C&L
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 65
Phénomènes non-linéaires intra-canal
22
2 22 2A i A A i A Az t
αβ γ∂ ∂= − − +
∂ ∂
0 100 200 300 400 500
D = 8 ps/nm/km
Opt
ical
pow
er (u
.a.)
Temps (ps)
D = 4 ps/nm/km
1 1
( ) ( )M M
i i bi i
A A A t t iTδ= =
= = ⊗ −∑ ∑
22 2 *
2 2 22 2
n nn i m n p
i nSPM I FWMI XPM
A Ai A i A A A i A A Az t
αβ γ γ≠
−−
⎧ ⎫⎪ ⎪∂ ∂
= − − + + +⎨ ⎬∂ ∂ ⎪ ⎪⎩ ⎭
∑
Les interactions I-FWM sont situées approximativement à (m – n + p) * Tb
Il en résulte :
avec
Débit > 40 Gb/s : dispersion chromatique → Recouvrement entre impulsions
Modèle d’interaction non-linéaire
0 100 200 300 400 500
D = 2 ps/nm/kmO
ptic
al p
ower
(u.a
)
Temps (ps)
D = 0 ps/nm/km
Impulsion 5 psL = 5 km
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 66
FWM intra-canal (I-FWM)
temps
fréquences
temps
Fibre dispersive
Impulsions chirpées
Impulsionfantôme
Fibre dispersive
temps
Application : D = 17 ps/nm/km, L = 100 km - 10 Gb/s → Ldisp ~ 40 km ( >> Leff)- 40 Gb/s → Ldisp ~ 2.5 km ( << Leff)
Phénomène significatif à 40 Gb/s
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 67
Intermodulation de phase intra-canal (I-XPM)
temps tem
∆ωXPM
Dispersivefibre
ps
Dispersivefibre
temps
temps
Application : D = 17 ps/nm/km, L = 100 km - 10 Gb/s → Ldisp ~ 40 km ( >> Leff)- 40 Gb/s → Ldisp ~ 2.5 km ( << Leff)
Phénomène significatif à 40 Gb/s
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 68
Comparaison 10/40 Gb/s des marges système
N * 10 Gb/sDlch = 50 GHz0.2 bit/s/Hz
N * 40 Gb/sDlch = 100 GHz0.4 bit/s/Hz
Puis
sanc
e/ca
nal
(0 à 5 dB en fonctionde la configuration)
FEC 5 dB
FEC 5 dBFEC 5 dB
N * 40 Gb/s
AmplificationErbium/Raman
6 dB
Limitation pareffects non-linéaires
Limitation parBruit optique
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 69
7ème partie :
Nouvelles technologies
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 70
Evolution des performances
rechercheNbre canaux256
déploiement80
103 km 106 km
10 Gb/s
1024 Gb/s
Distance
Débit
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 71
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 200210
100
1000
10000
100000
Cap
acité
tota
le (G
b/s)
Années
10 Gb/s 40 Gb/s
Performances obtenues en laboratoire
- Efficacité spectrale (Rb/Dfch)- Distance (amplification EDFA ou amplification Raman)- Bande passante de gain des amplis (EDFA bande C 32nm)- Formats de modulations
Paramètres importants
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 72
Nouvelles technologies
Amplification RamanDistribution du gain pour accroître la transparence de la fibre
- Réduction de l’ASE accumulée : accroissement de l’OSNR- Puissance injectée plus faible : minimisations des effets non-linéaires
Utilisations de codes correcteur d’erreur (FEC)- TEB = 10-9 → TEB = 10-4 : gain 6 à 8 dB sur l’OSNR requis en extrémité- Sur-débit 5 à 12% en fonction du code utilisé- Codes utilisés : Reed-Salomon, BCH, Turbo-codes …
Nouveaux formats de modulations (CS-RZ, DPSK, …)- OSNR requis plus faibles
modulation DPSK : gain ~ 6 dB / format NRZ- Occupation spectrale plus faible
accroissement efficacité spectrale : 0.2 Bit/s/Hz → >1 Bit/s/Hz- Modulation DPSK : format à enveloppe constante
réduction des effets NL, gain de format
Très haut débits : techniques OTDM
Accroissement de la bande de gain des amplificateurs optiques
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 73
Amplification Raman (1)
Spectre de gain Raman
0 10 20 300.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Gai
n ra
man
(*10
-13 m
/W)
Fréquence (THz)
Matrice vitreuse
= pumpR eff
eff
PG exp(g L )
A
Niveau virtuel
Pompe
Emission spontanée
Phonon(= état vibrationnel)
Niveau fondamental
Emission stimulée
SignalLongueurs et angles des liens +/- aléatoires
→ grande étendue de modes de vibration
- Maximum de gain : 13.2 THz (soit ~100nm à 1480 nm)- Bande de gain ~7.5 THZ (soit 25 nm)
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 74
Amplification Raman (2)
Variation du gain Ramanen fonction du type de fibres
- Dépendance Aeff (CR = gR/Aeff)- Influence des pertes- Influence des dopages (Ge02, …)
2 définitions du gain
Gain entrée-sortieλ
= −αλ
out sR pump eff loss
in s
P ( ) exp(C P L L )P ( )
Gain On-Offλ
=λ
out s PumpOnR pump eff
in s PumpOff
P ( )exp(C P L )
P ( )
Exemple : fibre SMF28 50 kmPpump = 540 mW
Gain entrée-sortie = 3 dBGain On-Off = 18 dB
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 75
Amplification Raman (3)
Structure d’amplificateur Raman
Gon-Off = 20 dB → Ppump ~ 150-250 mW
PompeContra
Fibre
PompeCo
−
− +
=
= = + =
outOn Off
out
ef
Pompage Pompageco contr
f p p
a
R
P (PumpOn)GP (PumpOff )exp( L [P (z L) P (z 0)C ])
Exemple 100 km de SMF28
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 76
Amplification Raman (4)
Amplificateur Ramanà grande bande passante
(→ pompage multi-λ)
Intérêts de l’amplification Raman
- Amplification à toute longueur d’onde(→ Amplification en dehors bande Er3+)
- Amplification à grande bande passante(→ Bande passante > 100 nm)
- Amplification distribuée(→ Minimisation de l’ASE)
L’interaction Raman entre pompes influence fortement le gain composite
(gain dépendant des puissances et des longueurs d’onde des pompes)
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 77
Amplification Raman (5)
2 11ase
spannet o net
PNF(G )h B G
= +− ν
Fibre passive=NF Loss
Obtenu par résolution numérique
=NF Loss
Amplification distribuée
Amplification localisée« équivalente »
<spanNF NF
NFspan GOn-Off
−= +
=
effspan
eff
NF 1NF NF1/ Loss
Loss NFNFeff GOn-Off
Gon-Off
NFeff
eff spanNF (dB) NF (dB) Loss(dB)= −
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 78
Principales limitations de l’amplification Raman
Double diffusion Rayleigh
Signal
SimpleRayleigh
DoubleRayleigh
Interférences
Limitation de G et L(→ Gmax ~ 25 dBpour L = 100 km)
RIN de la pompe (→ transfert du bruit de la pompe vers le signal)
Signal de sortieSignal
Pompe Pompage contrat préférable- RINmax contra ~ -90 dB/ Hz- RINmax copro ~ -120 dB/Hz
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 79
Formats de modulation traditionnels
Modulation NRZ- Simplicité de mise en œuvre (1 modulateur MZ)- Occupation spectrale faible
0 5 10 15 20
Pha
se
Bit time
0.0
0.5
1.0
Pow
er
0 5 10 15 20
Pha
se
Bit time
0.0
0.5
1.0
Pow
er
Modulation RZ- Mise en œuvre aisée (2 modulateurs MZ : génération d’impulsion + modulation NRZ)- Occupation spectrale élevée- Meilleure résistance aux effets non-linéaires (SPM et XPM en particulier)
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
Pow
er (1
0 dB
/div
)
Wavelength (nm)
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
P
ower
(10
dB/d
iv)
W avelength (nm )
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 80
Nouveaux formats de modulation
Modulation CSRZ- Mise en œuvre ~ modulation RZ (2 modulateurs MZ )- Détection directe- Gain ~ 2 dB sur OSNR/ modulation NRZ OOK (NRZ→ RZ : puissance crête *~2)
Modulation DPSK- Mise en œuvre aisée (1 modulateurs MZ + encodeur binaire électrique)- Démodulation DPSK optique (complexité de mise en œuvre)- Meilleure résistance aux effets non-linéaires (enveloppe constante)- Gain ~ 3 dB sur OSNR / modulation NRZ-OOK (OOK : ½ énergie dans porteuse)
0 5 10 15 20
Phas
e
Bit time
0,0
0,5
1,0
Pow
er
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
Pow
er (1
0 dB
/div
)
Wvalength (nm)
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
Pow
er (1
0 dB
/div
)
Wavelength (nm)0 5 10 15 20
Pha
se
Bit time
0,0
0,5
1,0
Pow
er
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 81
160 Gb/s : techniques OTDM
Multiplexage temporel1/Rb
TDM - //
RZ pulseGenerator
TDM - ⊥
La polarisation bit-à-bitalternée permet de réduire les contraintes imposées sur :- niveau du taux d’extinction- largeur d’impulsion- les interactions NL (I-FWM)4 x Rb ETDM
Démultiplexage temporelPINEO modulator
Rb ETDMNx Rb RZ signal
RécupérationD’horloge Horloge à Rb
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 82
Accroissement de la bande spectrale
λ
Rayleigh
CurvatureFIBRE
AMPLIFIERS
XS band S+ band S band C band L band L+ band
EDF(F)A
EDFA + gain equalizing filter
EDF(F)A + gain equalizing filter + Raman amplification
Telluride EDFA
RAMAN
30nm 40nm
47nm52nm
75nm
76nm
80nm
SOAs achievable range
Multi-pump Raman achievable range
P(praseodymium)DFA
36nm38nmTm( thullium)DFA Multi-pump RAMAN
22nm 36nm
1390 nm
-OH
1250 1350 1450 1490 1530 1570 1610 1650
EDFA
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 83
8ème partie :
Familles de systèmes
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 84
Familles de systèmes
années 80
1990
1996
2-8 canaux2.5 Gb/s, espacement 400 GHzPré-égalisation des signaux3 à 4 amplificateurs en cascade
16-32 canaux2.5 Gb/s, espacement 100-200 GHzEgalisation du gain des EDFA8 * 100 km (limitation par l’ASE)
64 canaux → 80 canaux10 Gb/s, espacement 50 GHzGestion de dispersion 10 * 100 kmUtilisation de fibres NZ-DSF (> 1000 km)
2000
2 canaux :1300/1550nm
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 85
Solutions commerciales (1)
13 x 29.4 dB = 1529 km
40 λ2.5 Gb/s
13 x 26.4 dB = 1373 km
11 x 26.3 dB = 1157 km
10 x 25 dB = 1000 km
80 λ2.5 Gb/s
40 λ10 Gb/s
80 λ10 Gb/s
3 x 35 dB = 1000 km
80 λ10 Gb/s
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 86
Solutions commerciales (2)
Systèmes terrestres longues distancesPrincipaux fabricants
- Equipementiers historiques : Alcatel, Lucent, Nortel, NEC, CISCO (ex-Pirelli)- Nouveaux acteurs : Ciena, Marconi, Mintera (40 Gb/s), Huawei (Chine), …
Familles de systèmes- Nombres de longueurs d’onde (espacement 50 GHz)
Bande C (1529-1562 nm) 80 canauxBande L (1569-1603 nm) 80 canaux (optionnel)
- Chargement des canaux au fur et à mesure de la charge de trafic (limitation des coûts)
Caractéristiques techniques- Utilisation de FEC généralisée- EDFA : 20 dBm max, ∆G < 1 dB, NF < 5 dB- EDFA : structure 2 étages → insertion de fibre DCF à mi-étage (pertes ~ 9dB)
Adaptation des configurations (nbre de tronçons, débit/canal, …) - atténuation = 25 dB → 10 tronçons de 100 km- atténuation = 35 dB → 3 tronçons de 150 km
Accroissement des distances : utilisation de l’amplification Ramansolution proposée mais pas encore utilisée (normes de sécurité renforcées)
Systèmes sous-marins (Alcatel, Tyco (USA) , KDD (japon))Atténuation = 15 dB → distance > 10000 km
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 87
Conclusion
L’accroissement continue des performances depuis 20 anstirée par l’innovation technologique
ChalIenge actuell’introduction massive des technologies dans les réseaux d’accèsimpose une réduction des coûts
Bibliographie conseillée- G. Agrawal : Optical fiber systems, Wiley-Intersciences, 2002- I. Kaminov and T. Li : Optical fiber Telecommunications IVA & IVB,
Academic press, Avril 2002- M. Joindot et I. Joindot : Les télécommunications par fibres optiques,
Dunod, 1996